「Nat Microbiol」百脈根與擬南芥根際微生物中共生細菌的宿主偏好性與入侵性

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2021年7月26日，

N

ature Microbiology

線上發表了由

德國馬克斯-普朗克植物育種研究所Ruben Garrido-Oter團隊和丹麥奧胡斯大學Simona Radutoiu 團隊

合作的題為“Host preference and invasiveness of commensal bacteria in the Lotus and Arabidopsis root microbiota” 的研究論文，馬克斯-普朗克植物育種研究所的博士後

K

athrin Wippel

與奧胡斯大學博士後

陶珂

為共同第一作者。

該研究首次驗證了根際共生細菌傾向與其同源宿主進行共生，並且這種偏好性與其入侵性呈正相關，使得它們在入侵其同源宿主時相對於外源菌具有明顯的競爭優勢。

Part1

背景介紹

植物的根部可以從其生長的土壤中招募多種微生物與根部共生，這些微生物被稱為根際微生物。根際微生物對調節植物的生長具有十分重要的作用，它們能夠促進植物的營養生長，提供營養元素，控制開花時間，抗病抗旱等等。甚至在某種程度上，植物根際微生物可以被認為是植物本身的特性之一。這一有益特性，如果能夠被人類運用到農業生產上，則能夠很好地提高作物的產量和栽培成活率。然而，在運用到作物栽培上之前，關於根際微生物很多特性我們並不知曉。例如，從一種植物上分離出的微生物群能直接接種到另一種植物上，並保持菌群的有益特性嗎？植物自身招募的微生物會對外來接種的微生物有影響嗎？接種的微生物能夠很好的入侵植物自身攜帶的菌群嗎？為了對這些問題進行初步的探究，我們展開了關於植物根際共生菌的宿主偏好性與入侵性的研究。

Part2 研究結果

我們首先檢測生長在相同土壤中的兩種模式植物-百脈根（Lotus japonicus）和擬南芥（Arabidopsis thaliana）-的根際菌群，分析發現兩種模式植物的細菌菌群組成並不相同，並且這種不同主要（28%）由細菌類群的相對丰度導致。為了進一步揭示為何不同的植物物種形成了不同的菌群組成，我們從百脈根的根部分離出了大量的細菌菌群並進行了培養，這些分離並培養出的菌群佔其根部自然菌群的53%，相對丰度則有82%的覆蓋率，與之前從擬南芥的根部分離培養出的菌群具有可比性，並且來自於相同的土源。

圖1百脈根與擬南芥根際細菌菌群

來自於16個科的細菌是分離出的百脈根菌群（Lj-IRL）與擬南芥菌群（At-IRL）所共有的。我們在這16個科中分別從Lj-IRL與At-IRL中各挑選一種菌，組成了一個32種細菌的人工菌群。隨後將該人工菌群接種到了無菌生長中的百脈根和擬南芥上，五週後我們檢測到，百脈根和擬南芥根部招募的菌群保持了差異性，進一步分析後我們開心地發現，即使是來自於同一個科的細菌，從擬南芥中分離出的細菌在擬南芥的根部的相對丰度更高，同樣的，從百脈根中分離的細菌在百脈根的根部相對丰度更高。該結果具有高度可重複性，至此，我們證實了百脈根與擬南芥根際共生菌的宿主偏好性。

圖2（部分）人工菌群重建實驗驗證了根際共生菌的宿主偏好性

我們隨後透過一系列的實驗來驗證這種宿主偏好性的決定因素。我們探索了植物的免疫調節基因，根際分泌物，植物活體等等，最後透過植物轉錄組分析得出共生菌的這種宿主偏好性主要是由植物的免疫調節基因（WRKY20， WRKY32， MYB15）、MAMP受體激酶（LYK4）以及乙烯響應因子（ERF34）決定的。

那麼共生菌的這種宿主偏好性對其入侵性有什麼影響呢？我們設計了一個檢測入侵性的實驗：1。 先給百脈根和擬南芥同時接種16個從百脈根中分離出的菌，四周後給它們接種16個從擬南芥中分離出的菌；2。 先給百脈根和擬南芥同時接種16個從擬南芥中分離出的菌以及百脈根的共生固氮菌，四周後給它們接種15個從百脈根中分離出的菌；3。 作為對照，給百脈根和擬南芥同時接種32個菌，四周後用營養液作為對照。隨後我們發現，儘管遵從生態學中的優先效應，從擬南芥中分離出的菌更容易入侵擬南芥的根部，同樣的，從百脈根中分離出的菌更容易入侵百脈根的根部。我們進一步評估了這16對細菌的宿主偏向性與入侵性，發現宿主偏好性越高的菌其入侵性越強。

圖3根際共生菌的入侵性

圖4 共生菌的宿主偏好性與入侵性相關

Part 3 小結

1. 從脈根的根部分離了大量的共生菌，佔其自然菌群的53

%，其中295個菌株進行了全基因組測序；

2. 透過構建分類均衡的人工菌群我們證實了百脈根與擬南芥共生菌的宿主偏好性，這種宿主偏好性由植物的免疫調節基因，MAMP受體激酶以及乙烯響應因子決定；

3. 共生菌的宿主偏好性與其入侵性呈正相關，宿主偏好性越強的細菌入侵性也越強。

中文簡介篇幅有限，具體研究可見原文連結：https：//www。nature。com/articles/s41564-021-00941-9

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